Tesis por compendio / [ES] El uso masivo de plásticos y su impacto medioambiental, así como la necesidad de mejorar la conservación de los alimentos, hace necesario el desarrollo de alternativas biodegradables para el envasado activo de alimentos. La presente Tesis Doctoral, se ha centrado en el desarrollo de películas activas, basados en polímeros biodegradables con propiedades complementarias, con el fin de obtener materiales con propiedades mecánicas y de barrera adecuadas para cumplir con los requisitos del envasado alimentario. Para ello, se consideraron el poli (vinil alcohol) (PVA) y el poli (ácido láctico) PLA. Asimismo, el carvacrol y los ácidos ferúlico y cinámico fueron elegidos como compuestos activos naturales. Se estudió la encapsulación del carvacrol en liposomas de diferentes tipos de lecitina para mejorar su retención durante la etapa de formación del film. La lecitina de soja enriquecida en fosfatidilcolina fue la más eficaz para mantener la estabilidad de la emulsión de carvacrol, resultando en films con mayor retención. La incorporación de carvacrol (encapsulado o no), modificó ligeramente la microestructura y las propiedades físicas de los films, así como la cristalinidad y el comportamiento térmico del polímero. El PVA totalmente hidrolizado proporcionó films con un mejor desempeño mecánico y capacidad de barrera al oxígeno, pero con menor retención de carvacrol. Por el contrario, el PVA parcialmente hidrolizado dio lugar a films más homogéneos, con mayor contenido de carvacrol. Mientras que los grupos acetilos protegieron al polímero de la termodegradación, permitiendo la obtención de films mediante las técnicas habituales del procesado industrial. Por lo tanto, el PVA parcialmente hidrolizado tiene un gran potencial para la producción de films activos, con más posibilidades de procesamiento que el PVA totalmente hidrolizado. Se incorporaron también ácido cinámico y ferúlico, con menor impacto sensorial que el del carvacrol, al PVA parcial y totalmente hidrolizado, mediante casting de las soluciones acuosas con glicerol para mejorar la solubilidad de los ácidos. Los films de PVA plastificados con glicerol mostraron una menor capacidad de barrera que los no plastificados. La incorporación del ácido ferúlico promovió mayores cambios en las propiedades de los films que el ácido cinámico, debido a un efecto de reticulación, que promovió la cristalinidad, la rigidez y la capacidad de barrera del material. También se obtuvieron películas plastificadas a base de PVA parcialmente hidrolizado con ácidos fenólicos, mediante mezclado en fundido y moldeo por compresión. Los films termoprocesados fueron menos extensibles y resistentes a la rotura y más permeables al oxígeno y al vapor de agua. Estudios in vitro demostraron que los films con ácidos fenólicos obtenidos por casting o termoprocesado presentaron actividad antioxidante y antimicrobiana, especialmente con ácido ferúlico. Con el objetivo de cumplir los requisitos de envasado de alimentos, se obtuvieron films tricapa por termocompresión, compuestos por una capa central de PVA, cargada con compuestos activos (carvacrol o ácido ferúlico), y dos capas externas de PLA. La termocompresión fue eficaz para la adhesión interlaminar. Las multicapas mostraron un rendimiento mecánico próximo al de los films de PLA y una elevada capacidad de barrera al oxígeno y al vapor de agua. Todos los laminados con compuestos activos incorporados a la capa de PVA fueron eficaces para controlar el crecimiento microbiano en filetes de carne de vacuno envasada. Por tanto, el laminado de films de PVA y PLA parcialmente hidrolizado representa una estrategia adecuada para obtener materiales de envasado con propiedades funcionales más próximas a las de algunos plásticos convencionales utilizados en el envasado alimentario. Asimismo, estos materiales con carvacrol o ácido ferúlico incorporados podrían utilizarse para el envasado de alimentos altamente susceptibles a procesos oxidativos o de degradación microbiológica para alargar su vida útil. / [CA] L'ús massiu de plàstics i el seu impacte mediambiental, així com la necessitat de millorar la conservació dels aliments, fa necessari el desenvolupament d'alternatives biodegradables per a l'envasament actiu d'aliments. La present Tesi Doctoral, s'ha centrat en el desenvolupament de pel·lícules actives, basats en polímers biodegradables amb propietats complementàries, amb la finalitat d'obtindre materials amb propietats mecàniques i de barrera adequades per a complir amb els requisits de l'envasament alimentari. Per a això, es van considerar el poli (vinil alcohol) (PVA) i el poli (àcid làctic) PLA. Així mateix, es van triar el carvacrol i els àcids ferúlic i cinàmic, com a compostos actius. Es va estudiar l'encapsulació del carvacrol en liposomes de diferents tipus de lecitina per a millorar la seua retenció durant l'etapa de formació del film. La lecitina de soja enriquida en fosfatidilcolina va ser la més eficaç per a mantindre l'estabilitat de l'emulsió de carvacrol, resultant en films amb major retenció. La incorporació de carvacrol (encapsulat o no), va modificar lleugerament la microestructura i les propietats físiques dels films, així com la cristalinitat i el comportament tèrmic del polímer. El PVA totalment hidrolitzat va proporcionar films amb un millor exercisc mecànic i capacitat de barrera a l'oxigen, però amb menor retenció de carvacrol. Per contra, el PVA parcialment hidrolitzat va donar lloc a films més homogenis, amb major contingut de carvacrol. Mentre que els grups acetils van protegir el polímer de la termodegradació, permetent l'obtenció de films mitjançant les tècniques habituals del processament industrial. Per tant, el PVA parcialment hidrolitzat té un gran potencial per a la producció de films actius, amb una més àmplia gamma de possibilitats de processament que el PVA totalment hidrolitzat. Es van incorporar també àcid cinàmic i ferúlic, amb menor impacte sensorial que el del carvacrol, al PVA parcial i totalment hidrolitzat, mitjançant càsting de les solucions aquoses amb glicerol per a millorar la solubilitat dels àcids. Els films de PVA plastificats amb glicerol van mostrar una menor capacitat de barrera que els no plastificats. La incorporació de l'àcid ferúlic va promoure majors canvis en les propietats dels films que l'àcid cinàmic, a causa d'un efecte de reticulació, que va promoure la cristalinitad, la rigidesa i la capacitat de barrera del material. També es van obtindre pel·lícules plastificades a base de PVA parcialment hidrolitzat amb àcids fenòlics, mitjançant barrejat en fos i emotlament per compressió. Els films termoprocessats van ser menys extensibles i resistents al trencament i més permeables a l'oxigen i al vapor d'aigua. Estudis in vitro van demostrar que els films amb àcids fenòlics obtinguts per càsting o termoprocessat van presentar activitat antioxidant i antimicrobiana, especialment amb àcid ferúlic. Amb l'objectiu de complir els requisits d'envasament d'aliments, es van obtindre films tricapa per termocompressió, compostos per una capa central de *PVA, carregada amb compostos actius (carvacrol o àcid ferúlic), i dues capes externes de PLA. La termocompressió va ser eficaç per a l'adhesió interlaminar. Les multicapes van mostrar un rendiment mecànic pròxim al dels films de PLA i una elevada capacitat de barrera a l'oxigen i al vapor d'aigua. Tots els laminatges amb compostos actius incorporats a la capa de PVA van ser eficaces per a controlar el creixement microbià en filets de carn de boví envasada. Per tant, el laminatge de films de PVA i PLA parcialment hidrolitzat representa una estratègia adequada per a obtindre materials d'envasament amb propietats funcionals més pròximes a les d'alguns plàstics sintètics utilitzats en l'envasament alimentari. Així mateix, aquests materials amb carvacrol o àcid ferúlic incorporats podrien utilitzar-se per a l'envasament d'aliments altament susceptibles a processos oxidatius o de degradació microbiològica per a allargar la seua vida útil. / [EN] The massive use of synthetic plastics and their environmental impact, as well as the need of improving food preservation, makes necessary the development of biodegradable alternatives for food active packaging. The use of active compounds from natural origin to obtain this kind of materials is a new trend based of the consumer demand for safer and healthier products. The present Doctoral Thesis, has been focused on the development of active packaging films, based on biodegradable polymers with complementary properties, in order to obtain materials with adequate mechanical and barrier properties to meet food packaging requirements. To this end, poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly (lactic acid) (PLA) were considered. Likewise, carvacrol and ferulic and cinnamic acid, were chosen as active natural compounds. The liposomal encapsulation of carvacrol, using different kinds of lecithin was evaluated in order to improve the carvacrol retention in the polymer matrix during the film formation step. Soy lecithin enriched in phosphatidylcholine was the most effective at maintaining the stability of the carvacrol emulsion, leading to its highest retention in the PVA films. Incorporation of carvacrol (lecithin encapsulated or not) slightly modified the film microstructure and physical properties and polymer crystallinity and thermal behaviour. The fully hydrolysed PVA provided films with a better mechanical performance and oxygen barrier capacity, but with less carvacrol retention. In contrast, partially hydrolysed PVA gave rise to more homogenous films with a higher carvacrol content. Acetyl groups protect the polymer for thermodegradation, allowing the film production using the common industrial thermoplastic processing techniques. Therefore, partially hydrolysed PVA has a great potential for the production of active films, with a wider range of processing possibilities than fully hydrolysed PVA. Cinnamic and ferulic acids, with lower potential sensory impact than of carvacrol, were also incorporated into partially and fully hydrolysed PVA by casting of aqueous solutions containing glycerol to improve the acid solubility. Glycerol plasticized PVA films exhibited poorer barrier capacity than those non-plasticized. The incorporation of ferulic acid promoted greater changes in the film properties than cinnamic acid, due to a crosslinking effect, which promoted crystallinity, stiffness and barrier capacity of the material. Glycerol plasticized films based on partially hydrolysed PVA with phenolic acids were also obtained by melt blending and compression moulding. Termoprocessed films were less stretchable and resistant to break and more permeable to oxygen and water vapor. In vitro studies demonstrated that cast and termoprocessed films containing phenolic acids exhibited antioxidant and antimicrobial activity, especially with ferulic acid. Three-layer films composed of a central layer of PVA loaded with active compounds (carvacrol lecithin encapsulated or not, or ferulic acid) and two external PLA layers were obtained by thermo-compression, aimed to meet food packaging requirements. Thermocompression was effective for the interlaminar adhesion. Multilayers exhibited mechanical performance close to the PLA sheets and high oxygen and water vapour barrier capacity. All laminates with active compounds incorporated into the PVA sheet were effective at controlling microbial growth in packaged beef meet. Therefore, lamination of partially hydrolysed PVA and PLA films represents a successful strategy to obtain packaging materials with functional properties closer to those of some conventional plastics commonly used in food packaging. Likewise, these materials incorporating carvacrol or ferulic acid could be used for packaging of foods highly susceptible to oxidative or microbiological degradative process to extend their shelf life. / The authors acknowledge the financial support of the Agencia Estatal de Investigacion, Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) of Spain through the projects AGL2016-76699-R and PID2019-105207RB-100. Author Johana Andrade thanks the Departamento de Nariño-Colombia y la Fundación CEIBA for the doctoral grant. The authors also thank the services rendered by the Electron Microscopy Service of the UPV. / Andrade Chapal, JC. (2021). Biodegradable materials based on poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly (lactic acid) (PLA) with antioxidant and antimicrobial activity for food packaging applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175566 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] Los residuos de envases alimentarios contribuyen en gran medida a la actual crisis medioambiental provocada por los plásticos. Por ello, la industria alimentaria necesita soluciones de envasado más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, utilizando materiales biodegradables y activos para alargar la vida útil de los alimentos. En este sentido, la presente tesis doctoral tiene como objetivo la obtención de películas activas a base de almidón y PLA mediante la incorporación de ácidos ferúlico o cinámico como compuestos activos, con el fin de desarrollar laminados multicapa que cumplan con los requisitos de envasado de alimentos, con capacidad antibacteriana para alargar la vida útil del producto. La incorporación de los ácidos ferúlico y cinámico a las matrices de almidón de yuca mediante el proceso de mezclado en fundido, al 1 y 2%, promovió la plastificación de la película, probablemente debido a la hidrólisis parcial del polímero durante el proceso de mezclado. Los análisis de la actividad antibacteriana de las películas frente a Escherichia coli y Listeria innocua, en medio de cultivo, revelaron que las películas con ácido cinámico eran más eficaces para inhibir el crecimiento bacteriano, y que Listeria innocua era más sensible a ambos ácidos que E. coli. Cuando los ácidos se incorporaron a las matrices de PLA al 1 y 2% mediante mezclado en fundido, las propiedades funcionales de las películas no se vieron muy afectadas. Sin embargo, los ensayos antimicrobianos in vitro con L. innocua y E. coli, no mostraron acción antibacteriana. Los estudios de liberación mostraron una liberación muy limitada de los ácidos desde la matriz de PLA debido al estado vítreo de la matriz polimérica y a su naturaleza hidrofóbica, que limitan el hinchamiento y la relajación del polímero en contacto con medios acuosos, como muchas matrices alimentarias. Por lo tanto, para promover la liberación del compuesto activo desde la matriz de PLA, se analizaron diferentes estrategias: 1) plastificar las películas termoprocesadas con PEG 1000, 2) aumentar la concentración de los compuestos en la película, 3) procesar las películas por casting y 4) anclar los compuestos activos a la superficie de la película. Sólo la incorporación superficial de ferúlico o cinámico en las películas de PLA dio lugar a una inhibición significativa del crecimiento bacteriano. La pulverización de las películas de PLA con soluciones etanólicas de ácido permitió la formación superficial de una capa sobre concentrada de compuestos activos en las películas, con formaciones cristalinas que dio lugar a una adecuada liberación de activos para inhibir el crecimiento bacteriano. Disoluciones de PLA-ácido, utilizando mezclas de acetato de etilo con DMSO o ácido acético glacial, fueron electrodepositadas en la superficie de las películas. Los sistemas con DMSO produjeron fibras con una elevada superficie específica que inhibieron significativamente el crecimiento bacteriano, mientras que los sistemas con ácido acético produjeron estructuras particuladas sin actividad antimicrobiana. Se consideró la incorporación superficial de los compuestos activos para obtener películas de tres capas PLA/almidón/PLA (PSP) con mejores propiedades funcionales y capacidad antimicrobiana. Las películas cargadas superficialmente, tanto por electrospinning como por pulverización, mostraron una eficaz inhibición del crecimiento de E. coli y L. innocua, siendo las películas recubiertas por electrospinning más eficaces que las pulverizadas. Por lo tanto, los laminados PSP, con incorporación superficial de ácidos ferúlico o cinámico, representan una buena alternativa para obtener materiales de envasado de alimentos activos, con capacidad para preservar la calidad de los alimentos y prolongar su vida útil. No obstante, son necesarios más estudios sobre aplicaciones específicas en alimentos reales para determinar la posible aplicación industrial y la viabilidad económica de estos materiales. / [CA] Els residus d' envasos alimentaris contribueixen en gran mesura a l' actual crisi mediambiental provocada pels plàstics. Per això, la indústria alimentària necessita solucions d' envasament més sostenibles i respectuoses amb el medi ambient, utilitzant materials biodegradables i actius per allargar la vida útil dels aliments. En aquest sentit, aquesta tesi doctoral té com a objectiu l' obtenció de pel·lícules actives a base de midó i PLA mitjançant la incorporació d' àcids ferúlic o cinàmic com a compostos actius, per tal de desenvolupar laminats multicapa que compleixin amb els requisits d' envasament d' aliments, amb capacitat antibacteriana per allargar la vida útil del producte. La incorporació dels àcids ferúlic i cinàmic a les matrius de midó de iuca mitjançant el procés de mesclament en fos, a l'1 i 2% p/p, va promoure la plastificació de la pel·lícula, probablement a causa de la hidròlisi parcial del polímer durant el procés de barret. Les anàlisis de l'activitat antibacteriana de les pel·lícules enfront d'Escherichia coli i Listeria innocua, en medi de cultiu, van revelar que les pel·lícules amb àcid cinàmic eren més eficaces per inhibir el creixement bacterià, i que Listeria innocua era més sensible a tots dos àcids que E. coli. Quan els àcids van incorporar a les matrius de PLA a l'1 i al 2% mitjançant mesclament en fos, les propietats funcionals de les pel·lícules no es van veure gaire afectades. No obstant això, els assajos antimicrobians in vitro amb L. innocua i E. coli, no van mostrar acció antibacteriana. Els estudis d'alliberament van mostrar un alliberament molt limitat dels àcids ferúlic i cinàmic des de la matriu de PLA a causa de l'estat vitri de la matriu polimèrica i a la seva naturalesa hidrofòbica, que limiten l'hinxament i la relaxació del polímer en contacte amb mitjans aquosos, com moltes matrius alimentàries. Per tant, per promoure l' alliberament del compost actiu des de la matriu de PLA, es van analitzar diferents estratègies: 1) plastificar les pel·lícules termoprocessades amb PEG 1000, 2) augmentar la concentració dels compostos a la pel·lícula, 3) processar les pel·lícules per casting i 4) ancorar els compostos actius a la superfície de la pel·lícula. Només la incorporació superficial de ferúlic o cinàmic a les pel·lícules de PLA va donar lloc a una inhibició significativa del creixement bacterià. La polvorització de les pel·lícules de PLA amb solucions etanòliques d'àcid va permetre la formació superficial d'una capa sobreconcentrada de compostos actius a les pel·lícules, amb formacions cristal·lines, que va donar lloc a un adequat alliberament d'actius per inhibir el creixement bacterià. Dissolucions de PLA-àcid, utilitzant mescles d'acetat d'etil amb DMSO o àcid acètic glacial, van ser electrodepositades a la superfície de les pel·lícules. Els sistemes amb DMSO van produir fibres amb una elevada superfície específica que van inhibir significativament el creixement bacterià, mentre que els sistemes amb àcid acètic van produir estructures particulades sense activitat antimicrobiana. Es va considerar la incorporació superficial dels compostos actius per obtenir pel·lícules de tres capes PLA/midó/PLA (PSP) amb millors propietats funcionals i capacitat antimicrobiana. Les pel·lícules carregades superficialment, tant per electrospinning com per polvorització, van mostrar una eficaç inhibició del creixement d'E. coli i L. innocua, sent les pel·lícules recobertes per electrospinning més eficaços que les polvoritzades. Per tant, els laminats PSP, amb incorporació superficial d'àcids ferúlic o cinàmic, representen una bona alternativa per obtenir materials d'envasat d'aliments actius, amb capacitat per preservar la qualitat dels aliments i prolongar la seva vida útil. No obstant això, calen més estudis sobre aplicacions específiques en aliments reals per determinar la possible aplicació industrial i la viabilitat econòmica d' aquests materials. / [EN] Food packaging waste is a major contributor to the current environmental crisis caused by conventional plastic. Therefore, the food industry needs more sustainable environmentally friendly packaging solutions, such as using biodegradable and active materials to extend the food shelf-life. In this sense, the present doctoral thesis aims to obtain active films based on starch and PLA by incorporating ferulic or cinnamic acids as active compounds, in order to develop multilayer assemblies useful to meet food packaging requirements, with antibacterial capacity to extend the product shelf life. The incorporation of ferulic and cinnamic acids into cassava starch matrices through melt-blending process, at 1 and 2% w/w, promoted the film plasticization, probably due to the partial hydrolysis of polymer during the melt-blending process. The analyses of the antibacterial activity of the films against E. coli and Listeria innocua strains, in culture medium, revealed that films with cinnamic acid were more effective at inhibiting the bacterial growth, and that L. innocua was more sensitive to both acids than E. coli. When the acids were incorporated into PLA matrices at 1 and 2% w/w by melt blending, the functional properties of the films were not greatly affected. However, the in vitro antimicrobial tests with L. innocua and E. coli, did not show antibacterial action. Release studies showed very limited release of the ferulic and cinnamic acids from the PLA matrix due to the glassy state of polymer matrix and its hydrophobic nature that limits the polymer swelling and relaxation in contact with aqueous media, such as many food matrices. Therefore, in order to promote the release of active compound from the PLA matrix, different strategies were analysed: 1) plasticizing the thermoprocessed films with PEG 1000, 2) increasing the concentration of the compounds in the film, 3) processing the films by casting and 4) anchoring the active compounds to the film surface. Only the surface incorporation of ferulic or cinnamic on PLA films gave rise to significant bacterial growth inhibition. Pulverization of PLA films with ferulic or cinnamic acid ethanol solutions allows the formation of an overconcentrated layer of active compounds on the films with crystalline formations that led to an adequate release of actives to inhibit the bacterial growth. PLA-acid solutions, using blends of ethyl acetate with dimethyl sulfoxide (DMSO) or glacial acetic acid, were electrospun on the film surface. DMSO systems produced fibre-structured mats with high specific surface that significantly inhibited bacterial growth, whereas acetic acid systems produce bead-based mats that not had antimicrobial activity. The surface incorporation of the active compounds was considered for obtaining three-layered films PLA/starch/PLA (PSP) with improved functional properties and antimicrobial capacity. Superficially loaded films by both electrospinning or pulverisation, showed effective growth inhibition of E. coli and L. innocua, electrospun films being more effective than pulverised, suggesting greater ability to release the active compounds. Therefore, PSP laminates, with surface incorporation of ferulic or cinnamic acids, represent a good alternative to obtain active food packaging materials with the capacity to preserve food quality and extend shelf life. Nonetheless, further studies on the material stability and specific applications in real foods are necessary to determine the possible industrial application and economic viability of these materials. / The authors thank the Agencia Estatal de Investigación (Ministerio de Ciencia e Innovación, Spain) for the financial support through projects AGL2016-76699-R and PID2019-105207RB-I00. / Ordóñez Lagos, RA. (2022). Use of ferulic and cinnamic acids to obtain active films based on starch and PLA for food packaging applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184814 / TESIS / Compendio